Immunity (IF 31.428) | 单细胞转录组+16s：乳酸菌化身胰腺癌“帮凶”

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Immunity (IF 31.428) | 单细胞转录组+16s：乳酸菌化身胰腺癌“帮凶”

中科新生命蛋白代谢多组学

2022.3.22

传统认知里，乳酸菌是促进胃肠道功能的有益菌群，在工业、农牧业、食品和医药等与人类生活密切相关的重要领域具有极高的应用价值。近日，来自多伦多大学的Tracy L. McGaha教授团队在Immunity (IF 31.428)上发表了题为“Tryptophan-derived microbial metabolites activate the aryl hydrocarbon receptor in tumor-associated macrophages to suppress anti-tumor immunity”的学术研究，打破了人们对乳酸菌的固有印象，该研究运用单细胞转录组技术联合肠道微生物，证明了乳酸菌通过色氨酸代谢途径激活肿瘤相关巨噬细胞（tumor-associated macrophages，TAM）芳香氢受体（aryl hydrocarbon receptor，AhR）的活性，最终促进肿瘤生长并破坏免疫检查点的抑制效果。

研究材料

荷瘤小鼠；AhR缺陷型荷瘤小鼠

技术路线

步骤1：转录组数据揭示AhR控制胰腺癌中肿瘤相关巨噬细胞的功能；

步骤2：单细胞转录组验证巨噬细胞中AhR功能对胰腺癌的影响；

步骤3：微生物测序结果表明AhR在肿瘤巨噬细胞中被乳酸菌产生的色氨酸代谢物激活；

步骤4：膳食色氨酸是PDAC TME中免疫表型的关键驱动因素；

步骤5：AhR在人肿瘤巨噬细胞中表达富集，并与生存相关。

研究结果

1. AhR是促肿瘤表型的关键驱动因素

为了了解巨噬细胞在胰腺导管腺癌（PDAC）中的作用，作者首先比较了PDAC中TAM和正常巨噬细胞的转录组数据，结果TAM显示出880个基因的上调表达，包括促癌基因Arg1、Nos2和Cd274，以及编码AhR的基因Cyp1b1。

前人的研究表明，AhR是一种有效的免疫调节因子，为了测试AhR在PDAC中是否具有免疫调控作用，作者构建了Lyz2^cre/+Ahr^fl/fl（AhR缺陷型）小鼠模型，发现在AhR缺陷的小鼠中CD45表达下降，MHCII, CD40 和PDL1表达增加，以及促癌基因（Arg1和Ido1）的表达下调和促炎基因（Il1b、Gzb和MHCII）表达上调，这些结果均表明AhR的免疫调控作用。此外，作者还发现在AhR缺陷的小鼠中CD8⁺ T细胞活化数量增加，而肿瘤的重量和浸润性癌的比例明显低于TAM，ROC曲线也表明AhR缺陷的小鼠具有更好的存活率。

图1 AhR缺陷驱动TAM和CD8⁺T细胞的炎症极化

2. AhR重塑PDAC中的转录景观

为了了解巨噬细胞中AhR功能对TME的影响，作者对肿瘤组织和AhR缺陷肿瘤组织进行了质谱流式和单细胞转录组分析，均鉴定出3个巨噬细胞簇。iGSEA富集分析表明AhR缺陷影响了包括干扰素响应通路，信号转导网络及免疫调节相关基因的表达，且PDAC TME中的巨噬细胞群体表现出具有前肿瘤、替代极化状态特征的转录谱。

图2 AhR重塑PDAC中的免疫转录景观

3.乳酸菌通过色氨酸代谢途径激活AhR

由于AhR是色氨酸代谢产生的受体，接下来，作者拟寻找在TME中驱动AhR活性的配体来源。前人的研究表明，乳酸菌能够通过色氨酸代谢产生吲哚，且乳酸菌是炎症性疾病骨髓细胞中AhR活性的重要驱动因素。于是作者使用乳酸菌不耐受的Amp和耐受的Vanc分别处理荷瘤小鼠，肠道微生物检测结果发现抗生素Amp降低了乳酸菌的相对丰度，且Amp抑制乳酸菌之后能够有效的提高MHCII和PD-L1的表达来提高免疫应答效果，从而抑制肿瘤的生长。该数据表明抗生素治疗、乳酸菌调节以及肿瘤内免疫调控之间潜在的联系。

通过质谱分析发现乳酸菌L. reuteri和L. murinus能产生吲哚类物质激活AhR，且L. murinus的产量更多。随后作者测试了L. murinus是否会影响PDAC中的肿瘤生长和炎症，在无菌小鼠肠道中移植L. murinus后研究其对肿瘤生长的影响，结果显示L. murinus不仅能够促进PDAC肿瘤生长，增加AhR活性，还能促进Arg1, Ido1, Il10等促癌基因的表达，这表明L. murinus可以驱动TAMs获得免疫抑制程序。

图3 乳酸菌驱动TME中的免疫抑制

4. 饮食影响肿瘤生长及免疫调控

由于色氨酸代谢是激活AhR的关键机制，作者测试了通过调整饮食去除色氨酸是否会影响肿瘤的生长。结果发现，去除色氨酸后肿瘤重量显著降低，而在饮食中加入吲哚之后，又能显著的增加肿瘤重量。这些数据表明，膳食色氨酸是PDAC TME中免疫表型的关键驱动因素。

图4 膳食中色氨酸和吲哚可促进免疫抑制和PDAC生长

5. AHR表达和活性与人胰腺导管腺癌的患者预后相关

随后，通过胰腺癌TCGA数据库分析发现，低表达AhR有利于生存，且PDAC TCGA队列中AhR表达特征与T细胞和巨噬细胞基因表达呈负相关。

图5 AhR的活性与人类PDAC患者的预后有关

小编小结

文章聚焦于肠道菌群对肿瘤的免疫调控，运用单细胞转录组技术联合肠道微生物，揭示了乳酸菌通过代谢食物中的色氨酸，激活肿瘤相关巨噬细胞，促进肿瘤生长的机制，为更个性化的癌症治疗指明了方向。

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